Synchronized

1、synchronized基本原理

synchronized是基于JVM内置锁实现，通过内部对象Monitor(监视器锁)实现。基于进入与退出Monitor对象，实现方法与代码块同步。监视器锁的实现依赖底层操作系统的Mutex lock（互斥锁）实现，它是一个重量级锁，性能较低。当 然，JVM 内置锁在1.5之后版本做了重大的优化，如锁粗化（Lock Coarsening）、锁消除（Lock Elimination）、轻量级锁（Lightweight Locking）、偏向锁（Biased Locking）、适应性自旋（Adaptive Spinning）等技术来减少锁操作的开销，内置锁的并发性能已经基本与Lock持平。

Synchronized关键字，在编译的字节码中，加入了两条指令来进行代码的同步。

Monitor enter：加锁

每个对象有一个监视器锁（monitor），当monitor被占用时就会处于锁定状态，线程执行monitor enter指令时尝试获取monitor的所有权，过程如下：

如果monitor的进入数为0，则该线程进入monitor，然后将进入数设置为1，该线程即为monitor的所有者。

如果该线程已经占有该monitor，只是重新进入，则进入monitor的进入数加1。

如果其他线程已经占用了monitor，则该线程进入阻塞状态，直到monitor的进入数为0，再重新尝试获取monitor的所有权。

Monitor exit：释放

执行monitor exit的线程必须是objectref所对应的monitor的所有者。

指令执行时，monitor的进入数减1，如果减1后进入数为0，那线程退出monitor，不再是这个monitor的所有者。其他被这个monitor阻塞的线程可以尝试去获取这个 monitor 的所有权。

通过这两段描述，我们应该能很清楚的看出Synchronized的实现原理，Synchronized的语义底层是通过一个monitor的对象来完成，其实wait/notify等方法也依赖于monitor对象，这就是为什么只有在同步的块或者方法中才能调用wait/notify等方法，否则会抛出java.lang.IllegalMonitorStateException的异常。

2、synchronized的优化

2.1、用户态和内核态

①内核态

CPU可以访问内存所有数据，包括外围设备，例如硬盘，网卡。CPU也可以将自己从一个程序切换到另一个程序。

②用户态

只能受限的访问内存，且不允许访问外围设备，占用CPU的能力被剥夺，CPU资源可以被其他程序获取。

之所以会有这样的区分，是为了防止用户进程获取别的程序的内存数据，或者获取外围设备的数据。

Synchronized原本是依赖操作系统实现的，因此在使用synchronized同步锁的时候需要进行用户态到内核态的切换。简单来说，在JVM中monitor enter和monitor exit字节码是依赖于底层操作系统的Mutex Lock来实现，但是由于使用Mutex Lock需要将当前线程挂起并从用户态切换到内核态来执行，这种切换的代价是非常昂贵的。

2.2、 jdk1.6及其之后的优化

对象头：每个对象都拥有对象头，对象头由Mark World ，指向类的指针，以及数组长度三部分组成。锁升级主要依赖Mark Word中的锁标志位和释放偏向锁标识位。

①偏向锁（无锁）

大多数情况下，锁不仅不存在多线程竞争，而且总是由同一线程多次获得。偏向锁的目的是在某个线程获得锁之后（线程的id会记录在对象的Mark Word锁标志位中），消除这个线程锁重入的开销，看起来让这个线程得到了偏护。(第二次还是这个线程进来就不需要重复加锁，基本无开销)。如果自始至终使用锁的线程只有一个，很明显偏向锁几乎没有额外开销，性能极高。

②轻量级锁：

轻量级锁是由偏向锁升级来的，偏向锁运行在一个线程进入同步块的情况下，当第二个线程加入锁争用的时候，偏向锁就会升级为轻量级锁（自旋锁）。没有抢到锁的线程将自旋，获取锁的操作。轻量级锁的意图是在没有多线程竞争的情况下，通过CAS操作尝试将Mark Word锁标志位更新为指向LockRecord的指针，减少了使用重量级锁的系统互斥量产生的性能消耗。

长时间的自旋操作是非常消耗资源的，一个线程持有锁，其他线程就只能在原地空耗CPU，执行不了任何有效的任务，这种现象叫做忙等（busy-waiting）

③重量级锁：

如果锁竞争情况严重，某个达到最大自旋次数(10次默认)的线程，会将轻量级锁升级为重量级锁，重量级锁则直接将自己挂起。在JDK1.6之前，synchronized直接加重量级锁，很明显现在得到了很好的优化。

虚拟机使用CAS操作尝试将MarkWord更新为指向LockRecord的指针，如果更新成功表示线程就拥有 该对象的锁；如果失败，会检查MarkWord是否指向当前线程的栈帧，如果是，表示当前线程已经拥 有这个锁；如果不是，说明这个锁被其他线程抢占，此时膨胀为重量级锁。

Java 语言中，如果一个变量要被多线程访问，可以使用 volatile 关键字声明它为“易变的”；如果一个变量要被某个线程独享，Java 中可以通过 java.lang.ThreadLocal 类来实现线程本地存储的功能。